纳米氧化铱催化剂、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米氧化铱催化剂，其具有良好的水电解阳极催化剂性能，催化活性高，有效降低析氧过电位的同时，在实际应用中有效降低槽压，节约能源，提高产氢量。制备方法简单，原料来源广泛易得，容易实施和控制，便于在实际生产中应用。实际生产中应用。

【技术实现步骤摘要】
纳米氧化铱催化剂、其制备方法及应用


[0001]本专利技术属于水电解制氢
，具体涉及一种纳米氧化铱催化剂、其制备方法及作为析氧阳极催化剂在水电解制氢中的应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，能源危机已经成为全球关注的焦点，石油资源的不断消耗，面临资源短缺和环境发展可持续性的双重危机，因此，需要寻找一种可再生、环境友好的新型能源。其中，氢能由于效率高、无污染和可简单制取等特点被认为是将来理想的可再生能源。
[0003]电解水制氢是未来清洁生产氢能的主要途径，在多种制氢方法中，质子交换膜电解水制氢已经成为“绿氢”的重要来源。电解水制氢过程中，由于阳极析氧四电子反应相较阴极析氢过程速率更加缓慢，需要更高的过电位，因此提高阳极的效率对于整个水电解过程至关重要。在质子交换膜的酸性条件下，Ir等贵金属及其氧化物催化剂具有优秀的耐腐蚀性，是非贵金属无法替代的，虽然氧化铱价格昂贵，但目前还是最好的析氧催化剂。
[0004]氧化铱的催化性能与其粒度大小及其分布、比表面积、多孔等物性密切相关，而这些物性又受制于制备工艺。随着氧化铱催化剂颗粒的纳米化，其催化活性也相应提高。膜电极用的商用氧化铱催化剂颗粒尺寸一般在30
‑
100nm，颗粒尺寸的纳米化、均一化是提高其催化活的一种途径，催化材料的多孔化也是一种提高催化活性的重要策略。另外，由于降低氧化铱成本的需要，在不降低其催化性能的前提下，可掺杂其他金属或较便宜的贵金属来降低成本，例如，钌
‑
铱复合氧化物、金属态铂
‑
氧化铱复合催化剂等，但其寿命有所下降。综上所述，氧化铱催化活性的潜力还很大，可通过调整制备工艺、优化材料物化性能等手段来使其催化活性最大化。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种纳米氧化铱催化剂，其利用铱化合物在溶液中与沉淀剂、造孔剂和表面活性剂作用得到催化剂前驱体，经焙烧后得到纳米氧化铱催化剂。该催化剂能够有效降低析氧过电位，提高催化活性，在电解水过程中，作为阳极析氧催化剂，能够提高产氢量，降低能耗，从而完成本专利技术。
[0006]本专利技术第一方面的目的在于提供一种纳米氧化铱催化剂，其包括纳米氧化铱，所述纳米氧化铱催化剂的平均粒径为35
‑
120nm。所述纳米氧化铱催化剂的比表面积为130
‑
180m2/g，优选为140
‑
170m2/g，更优选为150
‑
160m2/g。
[0007]所述纳米氧化铱催化剂的结晶度为21
‑
38％，优选为24
‑
34％，更优选为27
‑
30％。以0.5M的稀硫酸溶液为电解质，达到10mA/cm2电流密度时，所述纳米氧化铱催化剂的析氧过电位小于280mV，优选为245
‑
270mV，更优选为250
‑
255mV。所述纳米氧化铱催化剂的塔费尔斜率小于100mV/dec，优选小于95V/dec，更优选80
‑
90V/dec。
[0008]本专利技术第二方面的目的在于提供所述纳米氧化铱催化剂的制备方法，所述方法中，铱化合物在溶液中与沉淀剂、造孔剂和表面活性剂作用形成催化剂前驱体，经焙烧得到
纳米氧化铱催化剂。所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1、将铱化合物溶解于溶液中；
[0010]步骤2、向步骤1得到的溶液，依次加入沉淀剂、造孔剂和表面活性剂，搅拌均匀，蒸发溶剂后，得到催化剂前驱体；
[0011]步骤3、焙烧催化剂前驱体，得到纳米氧化铱催化剂。
[0012]本专利技术第三方面的目的在于提供所述纳米氧化铱催化剂的用途，水电解制氢中，用于制备膜电极。
[0013]本专利技术第四方面的目的在于提供一种膜电极，所述膜电极包括质子交换膜1、阴极催化层2和阳极催化层3，所述阴极催化层2和阳极催化层3分别设置在质子交换膜1的两面，与质子交换膜1紧密结合。
[0014]本专利技术提供的纳米氧化铱催化剂及膜电极具有以下有益效果：
[0015](1)本专利技术中提供的纳米氧化铱催化剂具有良好的水电解阳极催化性能，催化活性高，塔费尔斜率大幅减小，有效降低了析氧过电位。
[0016](2)本专利技术中纳米氧化铱催化剂的制备方法简单，原料来源广泛易得，容易实施和控制，并且能够应用于质子交换膜制备膜电极，利于实现，便于在实际生产中应用。
[0017](3)本专利技术中以纳米氧化铱催化剂为阳极催化剂层原料制备得到的膜电极，在实际应用中有效降低槽压，节约能源，提高产氢量。
附图说明
[0018]图1示出本专利技术实施例1制得的纳米氧化铱催化剂的SEM图；
[0019]图2示出商购氧化铱的SEM图；
[0020]图3示出本专利技术实施例1制得的纳米氧化铱催化剂的XRD图；
[0021]图4示出本专利技术实施例1制得的纳米氧化铱催化剂和商购氧化铱的析氧极化曲线；
[0022]图5示出本专利技术中一种膜电极的结构示意图；
[0023]图6示出本专利技术中实施例1制得的纳米氧化铱催化剂和对比例2制得的氧化铱B的析氧极化曲线。
[0024]附图标号说明
[0025]1‑
质子交换膜；
[0026]2‑
阴极催化层；
[0027]3‑
阳极催化层。
具体实施方式
[0028]下面通过具体实施方式对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0029]本专利技术提供了一种纳米氧化铱催化剂，其利用铱化合物在溶液中与沉淀剂、造孔剂和表面活性剂作用得到催化剂前驱体，经焙烧后得到纳米氧化铱催化剂。该催化剂能够有效降低析氧过电位，提高催化活性，在电解水过程中，提高产氢量，降低能耗。
[0030]本专利技术第一方面提供了一种纳米氧化铱催化剂，其包括纳米氧化铱。
[0031]所述纳米氧化铱催化剂的平均粒径为35
‑
120nm，优选为40
‑
100nm，更优选为50
‑
90nm。所述纳米氧化铱催化剂在上述粒径范围内，粒径越小，比表面积增大，表面缺陷位增多，活性位点增多，催化活性就越好。
[0032]所述纳米氧化铱催化剂的比表面积为130
‑
180m2/g，优选为140
‑
170m2/g，更优选为150
‑
160m2/g。增大催化剂的比表面积，活性位点就越多，催化活性就越好。
[0033]所述纳米氧化铱催化剂的结晶度为21
‑
38％，优选为24
‑
34％，更优选为27
‑
30％。催化活性产生于催化剂的某一晶面上，所以催化剂需要一定结晶度，但不是结晶度越高越好。结晶度低一点，表面缺陷位增多，活性位可能增多。所以，催化活性与合适的结晶度相关，在上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米氧化铱催化剂，其包括纳米氧化铱，所述纳米氧化铱催化剂的结晶度为21
‑
38％，比表面积为130
‑
180m2/g。2.根据权利要求1所述的纳米氧化铱催化剂，其特征在于，以0.5M的稀硫酸溶液为电解质，达到10mA/cm2电流密度时，所述纳米氧化铱催化剂的析氧过电位小于280mV，优选为245
‑
270mV，优选为250
‑
255mV；所述纳米氧化铱催化剂的塔费尔斜率小于100mV/dec，优选小于95V/dec，更优选80
‑
90V/dec。3.根据权利要求1所述的纳米氧化铱催化剂，其特征在于，所述纳米氧化铱催化剂的平均粒径为35
‑
120nm，优选为40
‑
100nm，更优选为50
‑
90nm；所述纳米氧化铱催化剂的比表面积为140
‑
170m2/g，更优选为150
‑
160m2/g；所述纳米氧化铱催化剂的结晶度为24
‑
34％，更优选为27
‑
30％。4.一种纳米氧化铱催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法中，铱化合物在溶液中与沉淀剂、造孔剂和表面活性剂作用形成催化剂前驱体，经焙烧得到纳米氧化铱催化剂。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、将铱化合物溶解于溶液中；步骤2、向步骤1得到的溶液，依次加入沉淀剂、造孔剂和表面活性剂，搅拌均匀，蒸发溶剂后，得到催化剂前驱体；步骤3、焙烧催化剂前驱体，得到纳米氧化铱催化剂。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1中，溶液中铱化合物的浓度为0.05
‑
4mol/L，优选为0.1
‑
2.5mol/L，更优选为0.1
‑
1mol/L。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述沉淀剂选自碱金属氢氧化物、尿素和铵盐中的一种或几种，优选为铵盐中的一种或几种，如氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵和硫酸铵，更优选为氯化铵、碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或几种，所述沉淀剂与铱化合物的质量摩尔比(4

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳华，
申请(专利权)人：湖南紫潇新材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：